為推進大氣臭氧多平臺協(xié)同監(jiān)測與PM2.5-臭氧協(xié)同控制，亟需發(fā)展高穩(wěn)定可靠的臭氧濃度時空分布探測新型光源技術(shù)。當前，車載大氣激光雷達雖被廣泛應(yīng)用，但受限于光源穩(wěn)定性不足及時空分辨率偏低等技術(shù)瓶頸，系統(tǒng)仍難以實現(xiàn)動態(tài)連續(xù)觀測。

基于此，研究團隊于2020年突破了固體拉曼激光技術(shù)，成功研制出移動車載走航式臭氧激光雷達系統(tǒng)[1]。為進一步提升系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性與長期運行可靠性，團隊近期聚焦于內(nèi)腔固體拉曼激光技術(shù)，創(chuàng)新性地開發(fā)出全固態(tài)免調(diào)諧多波長臭氧激光雷達激光光源。該技術(shù)通過優(yōu)化諧振腔結(jié)構(gòu)與拉曼介質(zhì)配置，實現(xiàn)了紫外波段激光的穩(wěn)定輸出，為臭氧差分吸收激光雷達提供了高穩(wěn)定性的發(fā)射光源。

研究團隊創(chuàng)新性地提出了一種基于內(nèi)腔式拉曼激光技術(shù)的臭氧差分吸收激光雷達光源方案。該方案采用嵌套激光諧振腔構(gòu)型，通過二極管端面泵浦增益介質(zhì)，并在腔內(nèi)集成固體拉曼介質(zhì)，利用光學(xué)非線性效應(yīng)實現(xiàn)紫外激光的高效輸出。基于兩種拉曼介質(zhì)具有差異化的拉曼頻移特性，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定產(chǎn)生滿足臭氧差分吸收激光雷達發(fā)射所需的雙紫外波長激光。其技術(shù)架構(gòu)與實現(xiàn)路徑如圖1所示。

為滿足雷達系統(tǒng)對環(huán)境適應(yīng)性的嚴苛要求，研究團隊通過嚴格工程化設(shè)計，成功研制出四波長激光器樣機，如圖2所示。該激光器系統(tǒng)采用高效風(fēng)冷散熱方案，確保其在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定運行。激光器輸出光束涵蓋紫外與可見光波段，各波長經(jīng)過精密擴束系統(tǒng)處理，實現(xiàn)兩兩并行輸出，為雷達探測提供多光譜支持。

圖2 四波長激光器實物圖

研究團隊基于內(nèi)腔式拉曼激光光源，搭建了室內(nèi)型地基臭氧激光雷達系統(tǒng)，并開展了大氣臭氧垂直分布探測的對比驗證實驗，如圖3所示。驗證結(jié)果表明，激光雷達探測數(shù)據(jù)與標準設(shè)備的測量結(jié)果一致性優(yōu)于0.92，充分驗證了內(nèi)腔式拉曼激光器在系統(tǒng)穩(wěn)定性和探測有效性方面的優(yōu)異性能，為大氣臭氧監(jiān)測提供了可靠的技術(shù)支撐。

圖3 室內(nèi)型地基臭氧激光雷達；激光雷達與標準設(shè)備的探測結(jié)果對比圖

研究團隊采用防水密封合理化設(shè)計的恒溫方艙搭載雷達核心機，實現(xiàn)了在1小時內(nèi)完成指定地點地基探測系統(tǒng)的額快速部署。該戶外型臭氧激光雷達系統(tǒng)在陜西省咸陽市開展的地基探測實驗中，成功獲取了氣溶膠消光系數(shù)與臭氧濃度的垂直廓線，如圖4所示。實驗結(jié)果有效揭示了邊界層內(nèi)臭氧與氣溶膠的垂直分布系統(tǒng)變化特征。該成果驗證了激光雷達系統(tǒng)在野外環(huán)境下的環(huán)境適應(yīng)性與數(shù)據(jù)可靠性，為區(qū)域大氣污染立體監(jiān)測提供了堅實的技術(shù)支撐。

圖4 戶外型地基臭氧激光雷達及探測實驗結(jié)果圖

研究團隊成功將基于內(nèi)腔式拉曼技術(shù)的臭氧差分吸收激光雷達系統(tǒng)集成于車載移動平臺（如圖5所示），實現(xiàn)了對指定區(qū)域沿規(guī)劃路線的高時空分辨率走航監(jiān)測。該系統(tǒng)可獲取臭氧濃度垂直剖面，為研究區(qū)域尺度臭氧污染的動態(tài)變化提供技術(shù)支撐。相較于傳統(tǒng)地基雷達，車載平臺顯著提升了監(jiān)測機動性，能夠有效覆蓋布點困難的區(qū)域（如復(fù)雜地形或城市密集區(qū)），實現(xiàn)氣溶膠與臭氧濃度的協(xié)同探測。

圖5 車載型臭氧激光雷達系統(tǒng)圖

在南京市車載走航監(jiān)測實驗中，團隊通過該激光雷達系統(tǒng)精準識別了走航路徑上的臭氧濃度異常熱點，如圖6所示。該成果為臭氧污染溯源與區(qū)域傳輸路徑分析提供了高精度的數(shù)據(jù)支持，驗證了移動平臺在大氣環(huán)境監(jiān)測中的實用價值。

圖6 車載走航激光雷達系統(tǒng)實驗結(jié)果圖

基于內(nèi)腔式拉曼激光技術(shù)的臭氧激光雷達系統(tǒng)已在多個城市實現(xiàn)規(guī)模化部署和應(yīng)用。在杭州亞運會期間，該系統(tǒng)為火種采集儀式及賽事空氣質(zhì)量保障提供了技術(shù)支持。搭載臭氧激光雷達的走航監(jiān)測車通過多成分協(xié)同探測（如NO2、SO2等），實現(xiàn)了測管一體化，可以在時間追蹤并分析污染源，為環(huán)境與污染溯源提供數(shù)據(jù)支撐。針對粵港澳大灣區(qū)臭氧污染的空間異質(zhì)性，研究團隊在香港、澳門以及廣州布設(shè)了梯度觀測網(wǎng)絡(luò)，通過垂直遙感監(jiān)測揭示了臭氧日變化規(guī)律與區(qū)域傳輸特征。在陜西咸陽、榆林等城市，由臭氧激光雷達與顆粒物激光雷達組成的立體監(jiān)測網(wǎng)可識別污染高值區(qū)，量化評估治理措施的效果。

圖7 基于內(nèi)腔式拉曼激光技術(shù)臭氧雷達應(yīng)用

基于?內(nèi)腔式固體拉曼激光技術(shù)的激光雷達，將持續(xù)服務(wù)于大氣環(huán)境監(jiān)測、政策效果評估等場景。未來，通過?多源數(shù)據(jù)融合?（衛(wèi)星遙感與氣象模型）、?性能優(yōu)化?（功率提升）及?模塊化設(shè)計?（適應(yīng)更嚴苛環(huán)境），構(gòu)建“?地面-空基?"立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)平流層臭氧的長期監(jiān)測。該技術(shù)將顯著提升區(qū)域臭氧預(yù)測精度，并為氣候模型提供高時空分辨率數(shù)據(jù)，同時支持極地科考與熱帶城市監(jiān)測等多樣化應(yīng)用場景。該系統(tǒng)還有望在?環(huán)境科學(xué)與?工業(yè)安全領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。

參考文獻： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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